Relativité et quanta, une mise en perspective, second cours à l'école "e2phy" en 2014

1. Relativité et quanta, une mise en
perspective
e2phy’14, Clermont-Ferrand 25082014
(Second cours)
Gilles Cohen-Tannoudji
Laboratoire de recherche sur les sciences de
la matière (Larsim CEA-Saclay)
www.gicotan.fr

2. 25/08/2014 2
Relativité et quanta, une mise
en perspective
4/ Où en sommes-nous? Un nouveau
grand récit de l’univers

3. 4.1 Le nouveau trépied de la physique, trois
théories à deux constantes (c,G), (h,c), (h,k)
 La relativité générale (c,G)
Covariance générale = invariance par difféomorphisme
(changement quelconque de référentiel)
Principe d'équivalence
• {changement quelconque de référentiel} équivalent
localement à {champ gravitationnel adéquat}
• {champ gravitationnel quelconque} équivalent localement à
{changement adéquat de référentiel}
La relativité générale est une théorie géométro-
dynamique de la gravitation
La précession du périhélie de Mercure, qui mettait en
échec la théorie de Newton, est expliquée par la RG
25/08/2014 3
Relativité et quanta, une mise en
perspective

4. 25/08/2014 4
Relativité et quanta, une mise
en perspective
Effacement de la frontière cinématique/dynamique
Naissance de la cosmologie scientifique
• La relativité générale théorie de la gravitation appliquée à
l'univers dans son entier
• Épisode de la constante cosmologique (de Siter)
• Données observationnelles
• Le modèle cosmologique standard, "le big bang" (Friedman,
Lemaître)
Échec de la tentative d'unification
gravitation/électromagnétisme
• Dualisme champ/point matériel
• Incompatibilité relativité générale/quanta
• L'impossible "mariage du marbre et du bois"

5. 25/08/2014 5
Relativité et quanta, une mise
en perspective
 La théorie quantique des champs (h,c)
Aux plus hautes énergies disponibles (104GeV) qui sont
très basses devant l'énergie de Planck (1019 GeV), la
gravitation est négligeable
La théorie quantique des champs réalise le mariage de
la théorie des quanta et de la relativité restreinte.
Le nouveau concept fondamental est celui de champ
quantique, un champ relativiste d'opérateurs de
création ou d'annihilation de particules ou d'anti-
particules, qui unifie les aspects ondulatoires et
corpusculaires : les particules élémentaires ne sont pas
des points matériels, ce sont des quanta de quadri-
moment, excitations élémentaires, irréductibles et bien
localisées de champs quantiques

6. 25/08/2014 6
Relativité et quanta, une mise
en perspective
Physique des interactions fondamentales
• À partir des symétries on détermine
– Les champs quantiques fondamentaux
– Le lagrangien (propagateurs et couplages)
– L'intégrale de chemins
• Développement perturbatif (diagrammes et
amplitudes de Feynman)
• Procédure de renormalisation et critère de
renormalisabilité
Le modèle standard des interactions non
gravitationnelles
• QED
• QCD
• Théorie électrofaible

7. 25/08/2014 7
Relativité et quanta, une mise
en perspective
 La statistique quantique (h,k)
Physique statistique quantique
• Cadre général de la modélisation des systèmes
comportant un grand nombre de constituants, et
impliqués dans des phénomènes où les effets
quantiques ne peuvent être négligés.
• Statistique des ensembles (Gibbs, Einstein)
• Statistiques de Bose-Einstein et de Fermi-Dirac
Interprétation moderne de la mécanique
quantique
• Décohérence : transition quantique/classique par
l'intermédiaire de la statistique quantique
• Statistique quantique et théorie de la mesure en
physique quantique

8. 4.2 Le mécanisme et le boson BEH
 Le défi de l’unification électrofaible
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Relativité et quanta, une mise en
perspective
8
 Unification possible des interactions faible et électromagnétique (unification
électrofaible) avec le modèle des bosons intermédiaires (MBI) massifs
 Mais sans l’invariance de jauge, le MBI n’est pas renormalisable*
 Avec l’invariance de jauge, le MBI est renormalisable mais il faut que les
bosons intermédiaires soient sans masse
 Pour qu’existe une théorie à symétrie de jauge dans l’interaction faible, il faut
que tous les constituants élémentaires (les fermions) soient sans masse
 Or des bosons intermédiaires sans masse et des fermions sans masse sont
en contradiction flagrante avec l’expérience
* Une théorie est dite renormalisable si toutes les intégrales divergentes qui entrent
dans les calculs théoriques des observables physiques peuvent être rendues finies au
prix d’une redéfinition, dépendant de l’énergie, de ses paramètres fondamentaux

9. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
9
Qu’est-ce que la masse?
2
2
E
m

p
énergie cinétique
En mécanique classique, il n’y a pas de
matière sans masse; il n’y a pas d’énergie sans
mouvement; il n’y a pas de limite à la vitesse
à laquelle on peut accélérer une particule
En mécanique relativiste, il n’y a pas de
matière sans énergie; même au repos, une
particule de masse m a une énergie
(potentielle) égale à mc2 (c est la vitesse de la
lumière); la vitesse de la lumière est
indépassable; la masse d’une particule peut
être nulle, auquel cas, cette particule se
déplace, comme la lumière, quelque soit le
repère, à la vitesse c
2 2 2 2 4
2
0
2
2
2
0
;
1
;
0
0
v
v v v v
E c m c
E mc
m
m
v
c
E m c m
m v c
m E c
 
  


 
  
  
p
p
p v
p

10. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
10
 Qu’est-ce que le vide en théorie quantique des
champs?
Qu’est-ce qu’un champ quantique?
– Un champ relativiste défini en chaque point de
l’espace-temps
– Un champ quantique d’opérateurs d’émission ou
d’absorption d’un quantum d’énergie-impulsion
(une particule ou une antiparticule)
Dualité ondes/particules
– Ondes dans l’espace-temps
– Particules dans l’espace des états du champ définis
par le nombre de quanta d’énergie-impulsion
Le vide quantique: état fondamental
(d’énergie minimum) : état à zéro particule.

11. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
11
 Conséquences des inégalités de Heisenberg
Quand le nombre de particules est bien déterminé,
par exemple dans le vide quantique où ce nombre est
nul, l’état spatio-temporel du champ est indéterminé
Quand l’état spatio-temporel du champ est bien
déterminé, par exemple dans un état cohérent tel
qu’il est produit avec un laser, le nombre de
particules est indéterminé
Dans l’espace-temps, le vide quantique est assimilable
à un milieu complexe, siège de fluctuations du ou des
champs quantiques
Dans le cas où ces fluctuations ne se moyennent pas à
zéro, le vide peut être assimilé au milieu « possédant
une certaine dissymétrie » (Curie), dans lequel peut
naître le phénomène de l’émergence de la masse,
c’est ce qui se produit avec le mécanisme BEH

12. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
12
« D'où l'on peut voir qu'il y autant de
différence entre le néant et l'espace vide, que
de l'espace vide au corps matériel ; et
qu'ainsi l'espace vide tient le milieu entre le
matière et le néant.» Réponse de Blaise Pascal au très
révérend père Noël, recteur de la Société de Jésus, à Paris, 29
octobre 1647 Pascal, Oeuvres complètes, La Pléiade, p 384,
ed. 1998
Dans le vide stable, la valeur moyenne du
champ BEH est différente de zéro. Quand une
particule se propage dans ce milieu, elle
acquiert de la masse

13. Une salle emplie de physiciens
bavardant tranquillement est
l’analogue d’un espace empli de
champ de Higgs
Un scientifique renommé entre
dans la salle, créant une
perturbation quand il se déplace
et attire à chaque pas un groupe
d’admirateurs
Ceci accroît la résistance à son
mouvement; en d’autres termes,
il acquiert une masse tout comme
les particules se déplaçant dans le
champ de Higgs
Si une rumeur traverse la salle
Elle provoque le même type
attroupement , mais cette fois
entre les scientifiques eux-
mêmes: un tel attroupement est
l’analogue de la particule de Higgs
Mécanisme et boson de Higgs en bande dessinée
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Relativité et quanta, une mise en
perspective

14. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
14
La magie du chapeau mexicain

15. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
15
Une petite expérience
D’après Michel Davier, LHC:
enquête sur le boson de
Higgs, Le Pommier/Cité des
sciences et de l’industrie,
Paris 2008

16. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
E(t)

T=Tc
t=10-12 s
T<Tc
t>10-12 s
Transition induite par le mécanisme BEH 10-12 s
après le « Big bang »
16
Le chapeau mexicain!
T>Tc
t<10-12 s

17. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
•Les constituants élémentaires de la matière: les quarks,
et les leptons
•les médiateurs des interactions: les bosons de jauge
17

18. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
18
Le boson BEH, la clé de voûte du modèle standard

19. 4.3Le modèle standard de la
cosmologie
(du modèle simple du big bang à la cosmologie de la
concordance)
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Relativité et quanta, une mise en
perspective
19

20. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
20
L’équation d’Einstein sur une locomotive relativiste
(Merci à Gérard et Marie-Françoise Rumèbe pour la photo)

21. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
21
Courbure de l’espace-temps Constante
cosmologique
Tenseur énergie de la
matière
La matière dicte à l’espace-temps comment il doit se
courber: l’espace temps dicte à la matière comment elle doit
se mouvoir
L’inconnue: le champ de
métrique de l’espace-tempsL’équation d’Einstein
Constante de
proportionnalité:
1
( ) ( ) ( ) ( )
2
R x g x R g x T x       
2
/G c

22.  Le modèle cosmologique du « big bang »
Le modèle « simple » du big bang (Lemaître,
Friedman, Robertson, Walker)
• Récession des galaxies lointaines, loi de Hubble
• Abondance relative des éléments léger (nucléosynthèse
primordiale)
• Rayonnement diffus de fond cosmologique (RDFC) à environ
3 degrés Kelvin, détecté en 1965
• Constante cosmologique mise à zéro
Les difficultés du modèle du big bang
• Trop grande homogénéité du RDFC (problème d’horizon)
• Problème de la platitude spatiale de l’univers (problème
d’ajustement fin)
• Scénario de l’inflation imaginé pour lever ces difficultés
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Relativité et quanta, une mise en
perspective
22

23.  Le dépassement du modèle standard du big bang, la
« concordance » et la redécouverte de la constante cosmologique
 Importants progrès observationnels au début des années 2000
• Mesure des distances à l’aide des super novae de type 1A (voir le prix Nobel
de physique 2011)
• Détermination avec une grande précision de la carte du RDFC (COBE, WMAP,
Planck)
 Dépassement du modèle du big bang
• Mise en concordance de toutes les données observationnelles
• Validation de l’hypothèse de l’inflation expliquant la platitude spatiale
observée
• Détermination précise des paramètres fondamentaux de la cosmodynamique
(âge de l’univers, composantes de la densité d’énergie)
• Mise en évidence de composantes non standards inévitables de la densité
d’énergie (matière sombre et énergie sombre)
• Interprétation des fluctuations observées dans le RDFC comme le résultat de
fluctuations intervenues dans l’ère de la gravitation quantique, amplifiées par
l’inflation, pouvant produire les grandes structures observées dans la
distribution des galaxies (filaments, vides, …)
• Retour de la constante cosmologique
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Relativité et quanta, une mise en
perspective
23

24. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
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25. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
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26. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
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27. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
27

28. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
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29. 25/08/2014 29
Relativité et quanta, une mise en
perspective

30. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
30

31. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
31
a(t)
t
Inflation
« Big-bang »
Re-inflation
tBB
( ) BBa t t t 
( ) exp( / )Pa t t L
( ) exp( / )a t t L
S’il n’y avait pas de
constante cosmologique

32. Rayons lumineux
Horizon: limite
de l’univers
observable par O
La lumière émise par des
sources situées dans cette
région ne parvient pas à O
Horizon, univers observable et Univers entier à deux
dimensions d’espace
Rayon de l’horizon limitant
l’univers observable par O =
valeur du facteur d’échelle
lorsque sa vitesse est égale à c
Ce rayon de l’horizon est
constant dans le cas
d’une expansion
exponentielle (de Sitter)
25/08/2014 32
Relativité et quanta, une mise en
perspective
( )
( )
H
a t
R c
a t

&
( ) exp( / )Ha t ct R

33. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
33
Mécanisme et boson BEH !
Emission du fond diffus
cosmologique
Confinement des quarks et des
gluons
( ) / ( )HR ca t a t &

34. 25/08/2014 34
Relativité et quanta, une mise en
perspective
Physique quasi-
classique
(de l’atome à la
galaxie)
Physique des
hautes énergies
Cosmologie
(échelles
subatomiques)
(échelles
extragalactiques et
cosmiques)
{h,c}
Théorie quantique
des champs
{G, c}
Relativité générale
Mécanique et statistique
quantiques, cinématique
relativiste
{G,h,kB,c}

35. 5/ Et maintenant? Une nouvelle
révolution scientifique à l’horizon?
25/08/2014 35
Relativité et quanta, une mise en
perspective

36. 25/08/2014
Relativité et quanta, une mise en
perspective
Dates Cadre théorique Gravitation Électro
magnétisme
Interaction
faible
Interaction
forte
17ème
siècle
Galilée, Newton Newton
19ème
siècle
Mécanique
analytique,
thermodynamique
statistique
Maxwell
1895-
1898
Rayons X, électron, radioactivité
1900-
1930
Mécanique
quantique
1905-
1915
Relativité Einstein
1930-
1970
Théorie quantique
des champs
Big bang QED Fermi Yukawa
1970-
2012
Théories de jauge CDM Théorie électrofaible de
Glashow, Salam, Weinberg et
Brout, Englert et Higgs
QCD
2012- … Décohérence,
théorie quantique
de l’information,
Holographie
Grande unification? Supersymétrie ? Matière
sombre ?Inflation ?Gravitation quantique ?
Une brève histoire du modèle standard
consolidé
36

37. Cosmologie quantique: une physique
triplement quantique?
 Trois quanta universels élémentaires
Constante de Planck: quantum d’action
Constante de Boltzmann: quantum d’information
Aire de Planck : quantum d’aire
d’espace-temps
 Complémentarité généralisée
Trois théories à deux quanta
Une théorie à trois quanta: la gravitation
quantique!?
25/08/2014 37
Relativité et quanta, une mise en
perspective
4
/P P PA l t G c  h

38. 25/08/2014 38
Relativité et quanta, une mise en
perspective
Physique quasi-
classique
(de l’atome à la
galaxie)
Physique des
hautes énergies
Cosmologie
(échelles
subatomiques)
(échelles
extragalactiques et
cosmiques)
{h,c}
Théorie quantique
des champs
{G, c}
Relativité générale
Mécanique et statistique
quantiques, cinématique
relativiste
{G,h,kB,c}
Grande unification, Matière-
antimatière, matière sombre, inflation?
Décohérence et
intrication?
Constante cosmologique,
énergie sombre?
Trous noirs et paradoxe
de l’information?
La théorie quantique de
l’information {h kB}
La dualité jauge-gravité
{h AP}
Le principe holographique
d’équipartition {kB AP}
Gravitation quantique
{h kB AP}
AP=LPTP=(hG)/c4

39. 25/08/2014 39
Relativité et quanta, une mise en
perspective
Physique quasi-
classique
(de l’atome à la
galaxie)
Physique des
hautes énergies
Cosmologie
(échelles
subatomiques)
(échelles
extragalactiques et
cosmiques)
{h,c}
Théorie quantique
des champs
{G, c}
Relativité générale
Le modèle standard
consolidé
Grande unification, Matière-
antimatière, matière sombre, inflation?
Décohérence et
intrication?
Constante cosmologique,
énergie sombre?
Trous noirs et paradoxe
de l’information?
La théorie quantique de
l’information {h kB}
La dualité jauge-gravité
{h AP}
Le principe holographique
d’équipartition {kB AP}
Gravitation quantique
{h kB AP}
AP=LPTP=(hG)/c4